CC BY
101
DOI 10.25987/^ТО.2020.16.2.017 УДК 621.396.677.33
РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ ВАРИАНТОВ РАДИОПЕЛЕНГАТОРНЫХ АНТЕННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
П.В. Першин АО «ИРКОС», г. Москва, Россия
Аннотация: представлены результаты натурных испытаний по пеленгованию и локализации наземных источников радиоизлучения с помощью нескольких вариантов антенных систем, предназначенных для размещения на малом беспилотном летательном аппарате в составе малогабаритной широкодиапазонной станции радиоконтроля. Рассмотрены одноярусный и двухъярусный варианты антенных систем. Показано, что исследуемый вариант макета двухъярусной антенной системы обеспечивает возможность пеленгования источников радиоизлучения в диапазоне частот от 110 до 3000 МГц по азимуту и углу места при заданных массогабаритных показателях. При этом увеличение угла места от 0 до 40 градусов приводит к значительному увеличению среднеквадратического отклонения (СКО) пеленгования с 2 до 5 градусов. На примере одноярусной антенной системы АС-НП1 показана возможность локализации наземных источников радиоизлучения однопозиционным методом. Выявлена зависимость систематической ошибки определения наземных координат источника радиоизлучения в зависимости от текущего набора значений частота-азимут-угол места. Экспериментально показано, что данная ошибка может быть уменьшена за счет использования специальных режимов движений беспилотного летательного аппарата, и итоговое СКО работы радиопеленгатора в условиях отсутствия аномальных ошибок составляет 2 - 3 градуса в зависимости от диапазона частот
Ключевые слова: антенная система, радиопеленгация, малый беспилотный летательный аппарат, однопозици-онная локализация, система навигации
Введение
Важной задачей при осуществлении мероприятий по радиоконтролю является пеленгование и определение местоположения источника радиоизлучения (ИРИ), эффективность решения которой в значительной степени определяется техническими характеристиками используемого оборудования. При осуществлении мероприятий по радиоконтролю часто объектом может быть не отдельно стоящее здание, а целый комплекс, включающий в себя строения и лесопарковые зоны. В таких условиях высокую эффективность решения задачи локализации ИРИ показывают мобильные и носимые средства радиоконтроля [1, 2].
В настоящее время в связи со снижением стоимости, увеличением полезной нагрузки малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), уменьшением массогабаритных показателей аппаратуры радиоконтроля получили развитие технические решения, использующие БПЛА в качестве носителя аппаратуры радиоконтроля.
В настоящей работе проведен анализ результатов натурных испытаний по пеленгованию и локализации наземных ИРИ радиопеленгатором АРТИКУЛ-В1 с пеленгационной антенной решеткой АРК-НП1[2] и результаты проверки точности пеленгования макета двухъ-
© Першин П.В., 2020
ярусной антенной системы [3] при размещении на БПЛА вертолетного типа (БПВ).
Варианты реализации антенных систем для БПЛА
Рассматриваемые в данной работе варианты антенных систем предназначены для бортовой малогабаритной широкодиапазонной станции [4] с рабочим диапазоном частот от 100 до 3000 МГц, которая предназначена для пеленгования сигналов с вертикальной поляризацией по азимуту и углу места при СКО пеленга не более 2°. При этом антенная система должна размещаться на платформе размерами 1016^700^137,5 мм3 (длинахширинахвысота), иметь высоту не более 400 мм и массу не более 10 кг.
Для реализации заданных требований рассматривалось два основных варианта реализации антенной системы. В первом варианте предполагалось использовать разработанную ранее одноярусную антенную систему АС-НП1 [2], состоящую из одной литеры антенных элементов и обеспечивающую азимутальное пеленгование радиосигналов в диапазоне радиочастот от 110 МГц до 3000 МГц. В данной антенной системе все антенные элементы размещены в одной плоскости, что может отразиться на точности пеленгования в угломестной плоскости.
В качестве альтернативного варианта реализации антенной системы рассмотрены различные варианты реализации двухъярусной
антенной решетки, состоящие из двух кольцевых подрешеток по 5 элементов в каждой. Угол между фазовым центром элемента решетки с меньшим значением радиуса и фазовыми центрами двух ближайших антенных элементов подрешетки с большим значением радиуса составил около 90° из соображения минимизации уровня боковых лепестков антенной решетки в рабочей полосе частот.
При проектировании двухъярусной антенной системы, модель которой представлена на рис. 1а, принимались следующие соображения. С точки зрения минимизации уровня кроссполяри-зованных составляющих (ф - компоненты поля) желательно использовать симметричные электрические вибраторы. При пеленговании источников с в - поляризацией погрешность оценки угловых координат доходит до 5 градусов; при преобладании ф - компоненты поля в низкочастотной области рассматриваемого диапазона возможны грубые промахи в оценке угловых координат источников радиоизлучения. Для минимизации высоты антенной системы предпочтительнее формировать подрешетку с большим значением радиуса из несимметричных антенных элементов, запитанных относительно металлизированной платформы БПЛА (рис. 1б).
а - симметричные вибраторы
и.
б - несимметричные вибраторы Рис. 1. Модель двухъярусной антенной решетки
Среди различных вариантов реализации по совокупности факторов была выбрана двухъ-
ярусная антенная система с симметричными вибраторами. Антенная система состоит из двух кольцевых антенных подрешеток с радиусами 200 мм и 350 мм, разнесенных по вертикали на 150 мм. Каждая подрешетка состоит из пяти биконических вибраторов высотой 82 мм и диаметром основания 40 мм, расположенных в шахматном порядке относительно друг друга.
Возможность применения предлагаемого варианта антенной системы для пеленгования корреляционно-интерферометрическим способом была проверена с помощью численного эксперимента, результаты которого представлены на рис. 2. Эксперимент осуществлялся для истинных значений азимута равному 18° и угла места равному 45° при облучении ЭМВ с вертикальной и левой круговой поляризациями в диапазоне частот от 100 МГц до 1000 МГц.
Азимут, град.
300 500 70(1
а - вертикальная поляризация
Азимут, град.
300 5(111 700
б - левая круговая поляризация
4110 Р, МГц
Рис. 2. Результаты вычисления пеленга для двухъярусной антенной системы
Результаты натурных испытаний
Результаты численного эксперимента показали возможность применения предлагаемой конструкции антенной системы для приема сигналов с вертикальной поляризацией. Поэтому был изготовлен макет двухъярусной антенной системы и проведены его натурные испытания.
При проведении испытаний макет антенной системы был размещен на технологическом приспособлении, имитирующем БПЛА вертолетного типа с возможностью установки различных углов места относительно излучателя (рис. 3).
Рис. 3. Макет антенной системы на приспособлении при угле наклона 0°
Результаты пеленгования в полевых условиях макета антенной системы показаны на рис. 4, 5 для разных углов наклона антенной системы. На рисунках по оси Х отложен ази-
.
100 150 200 250 300 350
а - по азимуту
I
100 150 200 250 300 350
б - по углу места Рис. 4. Погрешности определения пеленга при угле наклона 0°
мут, по оси Y - частота в мегагерцах. Погрешность отображается цветом согласно легенде цветовых обозначений.
Из представленных результатов видно, что при угле наклона антенной системы 0° ошибка пеленгования по азимуту в среднем составляет 1 - 2 градуса, по углу места - 4 - 5 градусов. При угле наклона 40° ошибка существенно возрастает как по азимуту, так и по углу места.
Также были проведены эксперименты по оценке точности локализации ИРИ антенной системой АРК-НП1, расположенной на БПЛА вертолетного типа, при использовании одно-этапного метода локализации ИРИ [4]: определение координат точки пересечения двумерного пеленга с поверхностью Земли. Следует отметить, что ошибка локализации является результатом влияния суммы погрешностей: ошибки определения координат пеленгатора, ошибки определения углов ориентации пеленгатора, ошибки пеленгования, ошибки привязки временных шкал пеленгатора и комплекса навигации (КН) и т.п.
50 100 150 200 250 300 350
а - по азимуту
0 50 100 150 200 250 300 350
б - по углу места Рис. 5. Погрешности определения пеленга при угле наклона 40°
8
7
6
6
5
5
4
4
3
3
2
0
8
8
7
7
6
4
3
3
2
Фотография радиопеленгатора с антенной системой АРК-НП1, установленного на БПЛА во время проведения испытаний, показана на рис. 6.
Рис. 6. Радиопеленгатор с антенной системой АС-НП1, размещенной на БПВ
На рис. 7 показаны результаты локализации для двух реперов. Как непосредственно видно, ошибки носят случайных характер и могут быть осреднены по серии пеленгов. В то же время имеется систематические погрешности, связанные с систематическими ошибками работы пеленгационной решетки и бортового комплекса навигации.
Из представленных на рис. 7 результатов можно выделить две группы ошибок. Случайные ошибки могут быть усреднены по серии пеленгов. Систематические погрешности, связанные с систематическими ошибками работы пеленгаторной системы, так и системы навигации, могут быть частично компенсированы за счет выбора типа движения БПЛА.
Данные по всем экспериментам представлены в табл. 1. В ней отражены средние за полет значения угла возвышения и азимута источника, наклонная дальность до источника, % пеленгов, не имеющих аномальных ошибок, СКО точности решения однопозиционной задачи. Частота радиосигнала реперов была в диапазоне 2551 МГц - 2557 МГц с разнесением 1 МГц.
Стоит ещё раз обратить внимание на то, что ошибки локализации одноэтапным методом определяются не только ошибками пеленгования, но и ошибками комплекса навигации. Разделить эти ошибки затруднительно, поэтому определить точность аппаратных пеленгов не представляется возможным. Можно лишь оценить точность СКО аппаратных пеленгов сверху, такая оценка представлена в девятом столбце табл. 1.
-20 г
45 50 55 60 65
б - ИРИ № 2
Рис. 7. Результаты локализации опорных ИРИ. По оси X - долгота в ЛСК, м., по оси Y - широта в ЛСК, м
Таблица 1 Определение координат одноэтапным методом
№ Угол возвышения Азимут Наклонная дальность Долгота в локальной СК Широта в локальной СК Процент валидных пеленгов СКО в плане, м Оценка СКО пеленгования, Гр
1.1 -39,2 163,0 65,7 -1 -9,1 100 5,1 3,9
1.2 -50,5 12,2 78,1 5,1 1,5 90 3,4 1,8
1.3 -50,6 118,6 79,8 0,5 3,0 98 2,7 1,4
1.4 -72 12 Полученные данные невалидны
ТГ1 -53,1 12,1 100,0 6,5 5,0 86 7,8 2,1
2.1 -54,8 167,6 151 15,8 6,8 97 6,7 2,3
2.2 -58,3 -67,4 149 6,3 -12,8 65 6,7 2,3
2.3 -58,0 92,4 162,6 13,1 -5,4 87 7,4 2,1
2.4 -79 12 Полученные данные невалидны
2.5 -64,1 18,1 154,0 11,6 -11,3 47 14,8 4,8
2.6 -45,8 14,1 199,0 6,9 -4,5 99 7,4 1,4
2.7 -36,5 13,2 235,5 2,2 -6,8 99 12,1 1,7
ТГ2 -62,4 12,0 159,6 8,4 -8,1 63 15,3 4,6
В каждом из экспериментов один из реперов, в строках таблицы обозначенный как ТГ (тестовый генератор), работал с перестройкой по частоте от 300 МГц до 3 ГГц. На рис. 8 отображены точности решения одноэтапной задачи в зависимости от частоты.
Как видно из результатов, представленных на рис. 8, и данных, приведенных для реперов с перестройкой по частоте в табл. 1, имеется существенное различие в характеристиках работы антенной системы в зависимости от угла возвышения пеленга. Для репера ТГ1 со средним углом наклона -53° валидные данные имеются почти по всему исследованному диапазону (86% валидных данных суммарно), в то время как для репера ТГ2 со средним углом наклона -62° имеются значительные диапазоны, в которых валидные данные отсутствуют (63% валидных данных суммарно).
500 1000 1500 2000 2500 3000 а - угол наклона пеленга -53.1°, наклонная дальность 100 м
500
1000
1500
2000
2500
3000
б - угол наклона пеленга -62.4°, наклонная дальность 159,6 м
Рис. 8. Погрешность локализации одноэтапным методом. По оси Х - частота радиосигнала, МГц. По оси Y - ошибка в плане
Исходя из приведенных данных, можно сделать предварительный вывод, что работоспособность пеленгационной системы сохраняется при углах возвышения не ниже -65°, при этом при планировании работы пеленгацион-ной аппаратуры следует рекомендовать ограничение в -50° по углу возвышения с допустимыми углами до -55°.
При пеленговании возможны систематические ошибки, определяемые текущим набором значений частота-азимут-угол места. Компенсация систематических погрешностей такого типа возможна, если организовать пеленгование при вращении БПЛА. В этом случае результат определяться как среднее за цикл по всему кругу 360°.
Данное предположение было проверено экспериментально. Средний угол места составлял -48,3°, наклонная дальность 120,4 м. Было проведено 11 циклов вращений по 360°. Результаты эксперимента представлены в табл. 2.
Таблица 2 Результаты пеленгования в режиме «зависание с вращением»
№ Число валидных пеленгов X Y СКО X СКО Y СКО в плане
1 696 29,93 76,06 2,85 6,06 6,70
2 451 29,86 76,29 3,60 5,06 6,21
3 354 31,45 77,15 3,39 4,73 5,82
4 284 30,77 74,21 6,31 7,48 9,78
5 216 32,31 73,20 4,04 5,35 6,71
6 368 30,76 76,50 3,31 5,32 6,27
7 286 31,03 76,85 3,67 5,48 6,59
8 204 30,27 75,92 4,51 5,09 6,80
9 206 28,65 79,44 5,52 7,10 8,99
10 181 30,72 75,83 5,23 6,71 8,50
11 243 31,62 74,14 5,99 6,39 8,76
Средние значения 30,67 75,96 4,40 5,89 7,38
СКО значений в циклах 0.99 1,69 1,96
Среднее СКО местоопределения для валидных пеленгов составило 7,4 м, СКО для оценок по циклам - 2,0 м. Этот результат свидетельствует, что используя режим полета зависание с вращением можно существенно понизить уровень систематических погрешностей, которые не могут быть усреднены при зависании без вращения.
Заключение
Таким образом, ошибка пеленгования по азимуту двухъярусной антенной системы при угле наклона антенной системы 0° в среднем составляет 1 - 2 градуса, по углу места - 4 - 5 градусов. При угле наклона 40° ошибка существенно возрастает как по азимуту, так и по углу места.
Точность работы радиопеленгатора Арти-кул-В1 с антенной системой АС-НП1 в условиях отсутствия аномальных ошибок составляет приблизительно 2° - 3° СКО в зависимости от диапазона. Это результат влияния суммы погрешностей за неточность определения координат пеленгатора, неточность определения углов ориентации пеленгатора, неточностью пеленгования, не точность привязки временных шкал пеленгатора и КН и т.п.
Точность решения задачи локализации ИРИ может быть повышена за счет использования специальных режимов движений БПВ типа зависания с вращением.
Литература
1. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А.
Автоматизированные системы радиоконтроля и их компоненты. М.: Горячая линия - Телеком, 2017. 424 с.
2. Портативный панорамный радиопеленгатор "Ар-тикул-Н1" - эффективное средство для поиска технических каналов утечки информации на границах контролируемой зоны / А.С. Авдюшин, В.А. Козьмин, П.В. Першин, А.М. Рембовский // Актуальные вопросы информационной безопасности региона в условиях модернизации общества и внедрения новых технологий: материалы регион. науч.-практ. конф. Волгоград: ВолГУ, 2011. С. 178 - 182.
3. Ашихмин А.В., Першин П.В., Федоров С.М. Пеленгование с использованием модели, в которой наблюдаемое поле является суперпозицией плоской падающей волны и рассеянных сферических волн, создаваемых блестящими точками на корпусе рассеивателя. // Вестник Воронежского института МВД России. 2018. № 3. С. 70 - 76.
4. Бортовая малогабаритная широкодиапазонная станция радиоконтроля / А.В. Ашихмин, В.А. Козьмин, И.Б. Крыжко, П.В. Першин, А.Б. Токарев // Радиолокация, навигация, связь: сб. тр. XXIV Междунар. науч.-техн. конф., 2018. Т. 2. С. 375 - 382.
Поступила 28.02.2020; принята к публикации 27.03.2020 Информация об авторах
Першин Павел Викторович - ведущий инженер, АО «Иркос» (129626, Россия, г. Москва, а/я 30), тел. +7(915)587-43-25
RESULTS OF NATURAL TESTS OF DIFFERENT RADIOPELEGATOR ANTENNA SYSTEMS
FOR A SMALL DRONE
P.V. Pershin JSC "IRCOS", Moscow, Russia
Abstract: the article presents the field test results of direction-finding and localization of the ground-based radio emission sources using a different antenna systems variants for a small-size wide-scale radio monitoring station placed on a drone. We considered the single-stage and two-stage variants of antenna systems. The study shows that the studied version of the layout of the two-stage antenna system provides the possibility of direction finding of radio emission sources in the frequency range from 110 to 3000 MHz in azimuth and elevation at given mass and dimensional parameters. Increasing of the elevation from 0 to 40 degrees leads to a direction finding error significant increase of direction finding from 2 to 5 degrees. The study shows the localization possibility of the ground-based radio emission sources using the one-position method with an AS-HP1 single-stage antenna system. The dependency of the radio emission source localization error is revealed depending on the current set of the frequency-azimuth-elevation angle values. The localization error reducing possibility by using of drone special motion modes is experimentally shown, and the final standard deviation of the radio direction finder error in the absence of anomalous errors is 2-3 degrees, depending on the frequency range
Key words: antenna array, radio direction finding, small drone, one-point localization, navigation system
References
1. Rembovskiy A.M., Ashikhmin A.V., Koz'min V.A. "Automated radio monitoring systems and their components" ("Avtomatizirovannye sistemy radiokontrolya i ikh komponenty"), Moscow, Goryachaya liniya - Telekom, 2017, 424 p.
2. Avdyushin A.S., Koz'min V.A., Pershin P.V., Rembovskiy A.M. "Portable panoramic direction finder "Artikul-H1" is an effective tool for finding technical channels for information leakage at the borders of the controlled area", Actual Issues of Information Security of the Region in the Context of Modernization of Society and the introduction of new Technologies: Materials of the Regional Scientific-Practical Conference (Aktual'nye voprosy informatsionnoy bezopasnosti regiona v usloviyakh modernizatsii ob-shchestva i vnedreniya novykh tekhnologiy: materialy region. nauch.-prakt. konf.), Volgograd, VolGU, 2011, pp. 178-182.
3. Ashikhmin A.V., Pershin P.V., Fedorov S.M. "Direction finding with use of the model in which observed field is superposition of a plane falling wave and scattered spherical waves generated by shining points on the scatterer case", Bulletin of Voronezh Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia (Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii), 2018, no. 3, pp. 70-76.
4. Ashikhmin A.V., Koz'min V.A., Kryzhko I.B., Pershin P.V., Tokarev A.B. "Board small-size wide-scale radio monitoring station", Proc. of the XXIV International Scientific and Technical Conference «Radar, Navigation, Communications» (Radiolokatsi-ya, navigatsiya, svyaz': sb. tr. XXIVMezhdunar. nauch.-tekhn. konf.), 2018, vol. 2, pp. 375-382.
Submitted 28.02.2020; revised 27.03.2020
Information about the authors
Pavel V. Pershin, leading engineer, JSC "IRCOS" (P.O.Box 30, Moscow 129626, Russia), tel. +7(915)587-43-25
